JP2007198753A - Water quantity measuring instrument - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水量計測装置、特に固体高分子型燃料電池の性能評価のおける生成水の水量を計測する水量計測装置に関する。 The present invention relates to a water amount measuring device, and more particularly to a water amount measuring device that measures the amount of produced water in performance evaluation of a polymer electrolyte fuel cell.
近年、燃料電池に関するさまざまな研究開発が行われている。特に、自動車業界では、将来、内燃機関自動車の代替となり得るモータ駆動の電気自動車に搭載する固体高分子型燃料電池の実用化に向けて、研究開発が盛んに行われている。 In recent years, various research and development related to fuel cells have been conducted. In particular, in the automobile industry, research and development are actively conducted toward the practical application of a polymer electrolyte fuel cell to be mounted on a motor-driven electric vehicle that can be an alternative to an internal combustion engine vehicle in the future.
固体高分子型燃料電池(燃料電池)は、燃料極(アノード)と、高分子電解質膜と、空気極(カソード)とが順に積層した膜電極接合体(MEA:Membrane-Electrode Assembly)を、2枚のセパレータで挟持した構造を有している。この構造により1つの電池が構成されるため、一般にこの構造がセルと称される。アノードとカソードは、電極触媒層とガス拡散層を有しており、電極触媒層が高分子電解質膜側に面し、ガス拡散層がセパレータに面している。各セパレータは、アノードに水素ガス及びカソードに酸素ガスを供給するための流体経路を形成している。 A polymer electrolyte fuel cell (fuel cell) has a membrane-electrode assembly (MEA) in which a fuel electrode (anode), a polymer electrolyte membrane, and an air electrode (cathode) are sequentially laminated. It has a structure that is sandwiched between sheets of separators. Since one battery is constituted by this structure, this structure is generally called a cell. The anode and the cathode have an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer, the electrode catalyst layer faces the polymer electrolyte membrane side, and the gas diffusion layer faces the separator. Each separator forms a fluid path for supplying hydrogen gas to the anode and oxygen gas to the cathode.
燃料電池の電気化学反応による発電について説明する。アノードガス拡散層では、セパレータを通じて供給された水素ガスが、アノード電極触媒層に向けて拡散される。アノード電極触媒層では、アノードの触媒作用により、次の式に従って、水素ガスが、水素イオンと電子に解離される。 The power generation by the electrochemical reaction of the fuel cell will be described. In the anode gas diffusion layer, hydrogen gas supplied through the separator is diffused toward the anode electrode catalyst layer. In the anode electrode catalyst layer, hydrogen gas is dissociated into hydrogen ions and electrons according to the following formula by the catalytic action of the anode.
H2 → 2H+ + 2e− H 2 → 2H + + 2e −
アノードの触媒作用により生成した水素イオンは、プロトン電導性を有する高分子電解質膜を透過して、カソードへ送られる。また、アノードの触媒作用により生成した電子は、外部回路を通じてカソードへ送られる。 Hydrogen ions generated by the catalytic action of the anode permeate the polymer electrolyte membrane having proton conductivity and are sent to the cathode. Electrons generated by the catalytic action of the anode are sent to the cathode through an external circuit.
一方、カソードでは、セパレータを通じてカソードガス拡散層に供給された酸素ガスがカソード電極触媒層に向けて拡散される。カソード電極触媒層では、高分子電解質膜を透過した水素イオンと、外部回路を通じて供給された電子とが、カノードの触媒作用により酸素と反応し、次の式に従って、水を生成する。 On the other hand, in the cathode, oxygen gas supplied to the cathode gas diffusion layer through the separator is diffused toward the cathode electrode catalyst layer. In the cathode electrode catalyst layer, hydrogen ions that have permeated the polymer electrolyte membrane and electrons supplied through an external circuit react with oxygen by the catalysis of canodes to generate water according to the following equation.
2H+ + 2e− + (1/2)O2 → H2O 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
このMEA内における一連の電気化学反応により、セルは外部へ電力供給が可能となる。なお、通常使用される燃料電池システムは、セルを積層方向に多数積層させたセルスタックとして、所望の起電力が得られるようにしてある。 The series of electrochemical reactions in the MEA enables the cell to supply power to the outside. Note that the fuel cell system that is normally used is configured to obtain a desired electromotive force as a cell stack in which a large number of cells are stacked in the stacking direction.
燃料電池は、使用条件(例えば、ガス量、ガス圧、温度、MEAの材質)によって、電気化学反応の挙動が異なり、発電能力等の性能が異なってくる。基礎的な研究において、このような使用条件に対する性能評価を行うことは、燃料電池の実用化に向けて重要である。その中で、電気化学反応に応じて生成する生成水の水量を計測することは、燃料電池の電気化学反応の挙動を把握するための一つの有効な手段である。 Fuel cells have different electrochemical reaction behavior and performance such as power generation capacity depending on usage conditions (for example, gas amount, gas pressure, temperature, MEA material). In basic research, it is important to evaluate the performance under such usage conditions for the practical application of fuel cells. Among them, measuring the amount of water produced according to the electrochemical reaction is one effective means for grasping the behavior of the electrochemical reaction of the fuel cell.
従来技術として、燃料電池の生成水を計測する方法は、燃料電池より排出した生成水を容器に蓄積し、蓄積された水量を一定時間毎に計測していた。そして、計測した生成水の水量により、燃料電池の電気化学反応の挙動を推定していた。また、実用化される燃料電池のようなサイズでは、生成水の水量が数L/min程度あり、通常の流量計等により生成水の水量を計測できる。 As a conventional technique, a method for measuring the generated water of a fuel cell accumulates the generated water discharged from the fuel cell in a container, and measures the accumulated amount of water every predetermined time. And the behavior of the electrochemical reaction of the fuel cell was estimated from the measured amount of generated water. Further, in the size of a fuel cell that is put into practical use, the amount of generated water is about several L / min, and the amount of generated water can be measured with a normal flow meter or the like.
特許文献1には、燃料電池発電装置において、生成水を水量計により計量し、所定量溜まるのに要する時間を計測し、単位時間当たりの流量を求める技術について開示されている。
特許文献2には、流量計において、モータの制御で一定の回転数で回転する回転体が、液体を捕捉して同一の回転速度のエネルギを与えることにより、モータに負荷がかかり、その負荷(消費電力)により液体の流量を測定する技術について開示されている。
In
燃料電池の性能評価において、セル構成材料の選定等の基本的な構成の評価を行う場合がある。このとき、性能評価に用いる燃料電池は、セルサイズが数十cm2程度の試作品の小型セルとなる。この小型セルは、生成水の水量が数mL/min程度であり、生成水が少量である。このため、一般的な流量計を使用することはできず、比較的長時間掛けて溜まった水量を計測することになる。従って、燃料電池の性能評価の目的である、生成水の水量の経時変化から燃料電池の電気化学反応の挙動を推定することが困難になる。 In the performance evaluation of a fuel cell, a basic configuration such as selection of cell constituent materials may be evaluated. At this time, the fuel cell used for performance evaluation is a prototype small cell having a cell size of about several tens of cm 2 . In this small cell, the amount of generated water is about several mL / min, and the amount of generated water is small. For this reason, a general flow meter cannot be used, and the amount of water accumulated over a relatively long time is measured. Therefore, it becomes difficult to estimate the behavior of the electrochemical reaction of the fuel cell from the change over time in the amount of produced water, which is the purpose of the performance evaluation of the fuel cell.
本発明の目的は、燃料電池の性能評価おいて、簡易な構造で、時々刻々変化する少量の水量を計測することのできる水量計測装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a water amount measuring device capable of measuring a small amount of water that changes every moment with a simple structure in the performance evaluation of a fuel cell.
上記課題を解決するために、本発明の水量計測装置は、略円筒形状の回転器と、この回転器を回転駆動させるモータと、このモータを一定の回転数で回転させる制御部と、このモータにかかる負荷の変動を検出する検出器と、この回転器に向けて、被計測体である水を落下させる落下手段と、を有し、この検出器の検出結果に基づいて水量を計測することができる。 In order to solve the above-described problems, a water amount measuring device of the present invention includes a substantially cylindrical rotator, a motor that rotationally drives the rotator, a control unit that rotates the motor at a constant rotational speed, and the motor. A detector that detects fluctuations in the load applied to the rotator, and a dropping means that drops water as a measurement object toward the rotator, and measures the amount of water based on the detection result of the detector. Can do.
また、本発明の水量計測装置は、前記モータにかかる負荷の変動と水量との関係を示す検量線を記憶する記憶部を有し、この記憶部に記憶された検量線に基づいて、前記検出器の検出結果から水量を計測することが好適である。 In addition, the water amount measuring device of the present invention has a storage unit that stores a calibration curve indicating a relationship between a load variation applied to the motor and a water amount, and the detection is performed based on the calibration curve stored in the storage unit. It is preferable to measure the amount of water from the detection result of the vessel.
さらに、本発明の水量計測装置は、燃料電池の性能評価における生成水の水量を計測することが好適である。 Furthermore, it is preferable that the water amount measuring device of the present invention measures the amount of generated water in the performance evaluation of the fuel cell.
本発明の水量計測装置によれば、簡易な構造で、時々刻々変化する少量の水量を計測することができる。 According to the water amount measuring apparatus of the present invention, it is possible to measure a small amount of water that changes every moment with a simple structure.
以下、本発明に係る実施形態について、図面を用いて説明する。本実施形態においては、一例として、燃料電池の性能評価における生成水の水量計測装置について説明する。しかし、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、液体の流量を計測する装置として使用することができる。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, as an example, an apparatus for measuring the amount of generated water in the performance evaluation of a fuel cell will be described. However, the present invention is not limited to this embodiment, and can be used as an apparatus for measuring the flow rate of liquid.
図1は、本発明の実施形態に係る水量計測装置の概略構成を示す構成図である。水量計測装置10は、略円筒形状の回転器30と、回転器30を回転駆動させるモータ50とを有している。モータ50の回転軸である出力軸60には、回転器30が取り付けられている。出力軸60は、回転器30の両側の軸受40で支持されている。これにより、モータ50は、供給された電力に基づき、回転トルクを発生させ、出力軸60を介して回転器30を回転させることができる。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a schematic configuration of a water amount measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. The water
回転器30は、略円筒形状であり、略円筒形状の筒部32は水流を受け止める形状をしている。従って、回転している回転器30の筒部32に生成水が当ると、回転器30は、生成水に運動エネルギを与えることになる。言い換えれば、回転器30は、生成水から負荷を受ける。従って、生成水の水量が変動すると、回転器30が受ける負荷が変動し、回転器30を回転駆動させているモータ50の負荷が変動することになる。この結果、水量の変動とモータの負荷の変動とに相関関係があり、モータの負荷の変動を検出することにより、回転器30に当った水量を導き出すことができる。
The
回転器30の筒部32の形状は、例えば、筒部32が羽根車となっており、羽根車の各翼が外周部より突出していてもよいし、壁面部34により各翼が挟持されるようにしてもよい。また、回転器30の筒部32の形状は、筒部32の表面に回転器30の回転軸に平行な方向の溝を形成した形状でもよいし、単に凸凹を多数形成した形状でもよい。
As for the shape of the
回転器30の上部には、生成水を落下させるノズル20がある。回転器30に対するノズル20の位置は、落下する生成水によって回転器30に負荷を与えることができる位置である。すなわち、落下する生成水が回転器30に当る位置は、回転器30の頂上でも、回転器30の回転方向と生成水の落下する方向が対向する位置(回転器30の頂上を0度とすると、回転器30の回転方向に対し−90度まで)でも、もしくは、その間の区間でもよい。生成水が回転器30の頂上で当る場合は、落下してきた生成水に対し、回転器30の当る部位(例えば、羽根車の翼)が水平に移動している。よって、生成水には、水平の運動エネルギが与えられる。回転器30の回転方向と生成水の落下する方向が対向する位置の場合は、落下してきた生成水に対し、回転器の当る部位(例えば、羽根車の翼)が上に移動している。よって、生成水には、垂直の運動エネルギが与えられる。その結果、回転器30は、生成水から負荷を受ける。また、落下する生成水が回転器30に当る位置が、回転器30の頂上を0度とすると、回転器30の頂上から回転器30の回転方向に対し90度までの区間でもよい。この場合、回転器30の回転方向と生成水の落下方向が順行するため、回転器30の受ける負荷は水量が多い程、小さくなる。
Above the
ノズル20には、燃料電池1の排出管路2から排出された生成水が供給される。ここで、燃料電池1は、生成水と共に電気化学反応で反応しなかったガス(酸素ガス)を排出する。さらに、燃料電池1は電気化学反応により高温となっているため、一部の生成水が気化して水蒸気となっている。そこで、排出管路2の途中に気液分離装置3を設けることが有効である。気液分離装置3は、燃料電池1から排出した酸素ガスを冷却器4により一定温度まで低下させ、水蒸気を液化させる。これによって、水蒸気として逃げる水量をほぼ0にするか、または、一定量にすることができ、生成水をノズル20に供給することができる。
The generated water discharged from the
水量計測装置10は、モータ50を制御し、水量を算出する制御部90を有している。モータ50には、回転状態を検出する回転検出器70が設けられており、検出結果を制御部90に送っている。制御部90は、回転検出器70の検出結果に基づいて、モータ50を一定の回転数で回転するように、モータ50へ供給する電力を制御する。
The water
出力軸60には、トルク偏差を検出するトルク検出器80が配置されており、検出結果を制御部90に送っている。制御部90は、トルク検出器80の検出結果と、記憶部95からのデータとに基づいて、水量を算出する。すなわち、モータ50の負荷変動と水量との関係を予め調べ、その結果として得られた検量線を記憶部95にテーブルとして記憶している。なお、本実施形態では、モータ50の負荷変動は、トルク検出器80の検出結果のトルク偏差である。このモータ50の負荷変動は、モータ50へ供給している電流値にも現れる。一方、制御部90は、モータ50の回転数が一定となるように供給電力を制御するため、内部に電流検出器を有している。よって、モータ50の負荷変動は、この電流検知器の検出結果を用いることができる。また、モータ50の回転数を一定に保つための制御量を、モータ50の負荷変動としてもよい。
A
次に、水量計測装置10の動作について説明する。モータ50は、制御部90から供給される電力により、回転トルクを発生して回転する。それに伴い、同軸上の回転器30も回転する。制御部90は、モータ50を設定された一定の回転数で回転させるために、回転検知器70からの検出結果に基づいて、モータ50へ供給する電力を制御する。これにより、モータ50は、常に設定された一定の回転数で回転することができる。
Next, the operation of the water
性能評価をする燃料電池1から電気化学反応により生成水と排ガスが排出される。気液分離装置3は、冷却器4により排ガスを一定の温度まで低下させ水蒸気になっている生成水を液化する。気液分離装置3で分離された生成水は、ノズル20へ供給される。ノズル20から落下した生成水は、回転器30に当る。このとき、回転器30は、生成水から負荷を受ける。回転器30が負荷を受けるとモータに負荷がかかり、回転数が変化する。回転検出器70が回転数の変化を検出して、検出結果を制御部90へ送る。制御部90は、設定の回転数になるように、モータ50に供給する電力を制御する。トルク検出器80は、トルクが変動したことを検出し、検出結果を制御部90へ送る。制御部90は、この検出結果と記憶部95のデータを比較し、水量を算出する。
Generated water and exhaust gas are discharged from the
以上により、水量計測装置10は、燃料電池の性能評価において、時々刻々変化する少量の水量を計測することができる。
As described above, the water
回転器30をプラスチック等の軽量材料で構成することで、軽量化することが好適である。なお、軽量化した回転器30は、少量の生成水でも回転の影響を受けやすくなる。
It is preferable to reduce the weight by configuring the
1 燃料電池、2 排出管路、3 気液分離装置、4 冷却器、10 水量計測装置、20 ノズル、30 回転器、32 筒部、34 壁面部、40 軸受、50 モータ、60 出力軸、70 回転検出器、80 トルク検出器、90 制御部、95 記憶部。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
略円筒形状の回転器と、
この回転器を回転駆動させるモータと、
このモータを一定の回転数で回転させる制御部と、
このモータにかかる負荷の変動を検出する検出器と、
この回転器に向けて、被計測体である水を落下させる落下手段と、
を有し、
この検出器の検出結果に基づいて水量を計測することができる水量計測装置。 In the water volume measuring device,
A substantially cylindrical rotator;
A motor for rotating the rotator,
A control unit for rotating the motor at a constant rotational speed;
A detector for detecting a change in load applied to the motor;
To this rotator, dropping means for dropping the water to be measured,
Have
A water volume measuring device capable of measuring the water volume based on the detection result of the detector.
前記モータにかかる負荷の変動と水量との関係を示す検量線を記憶する記憶部を有し、
この記憶部に記憶された検量線に基づいて、前記検出器の検出結果から水量を計測することができる水量計測装置。 In the water amount measuring device according to claim 1,
A storage unit for storing a calibration curve indicating the relationship between the load variation applied to the motor and the amount of water;
A water amount measuring device capable of measuring a water amount from a detection result of the detector based on a calibration curve stored in the storage unit.
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